Xây dựng mô hình chống sét VAN trung thế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

NGUYỄN THỊ KIM OANH

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN
TRUNG THẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

TP. HCM, tháng 02 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

NGUYỄN THỊ KIM OANH

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN
TRUNG THẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

TP. HCM, tháng 02 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH.

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Công nghệ TP HCM, ngày
12 tháng 02 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
T
T
1 P
G
2 T
S.
3 T
S.
4 T
S.
5 P
G

C
h
P
n
P
n
Ủ
y

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được

sửa chữa nếu có.
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV

PGS.TS. Phan Thị Thanh Bình


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
H
ọ
N
gà
C
hu
yê

G:
iN
N:
ơT
M:

S1
H4
XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG

THẾ. II- Nhiệm vụ và nội dung:
Chương : Mở Đầu.
Chương 1: Tổng quan về chống sét van trung thế.
Chương 2: Các mô hình chống sét van trung thế.
Chương 3: Xây dựng các mô hình chống sét van trung thế trong môi trường
Matlab.
Chương 4: Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van
trung thế.
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
III- Ngày giao nhiệm vụ

: 8/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ

: 02/2016

V- Cán bộ hướng dẫn

: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được ghi rõ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn.

NGUYỄN THỊ KIM OANH


ii

LỜI CÁM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cô, tôi đã
hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này.
Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn gia đình đã luôn động viên, giúp
đỡ tôi trong suốt thời gian học tập.
Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, quý thầy cô Khoa
Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu, nâng cao
trình độ và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS. TS Quyền Huy
Ánh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng
như trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Ngoài ra, tôi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các anh, chị học viên
trong lớp cao học 14SMD11 đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt
luận văn.
Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu sót về kiến thức chuyên môn, kính mong nhận được sự quan tâm, xem
xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy, cô và các bạn để đề tài luận
văn này hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2016
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Kim Oanh


3

TÓM TẮT
Luận văn “XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG
THẾ” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung thế
dạng MOV trong môi trường Matlab.
Cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính của chống sét van trung thế và
hộp công cụ Simulink của phần mềm Matlab đã được nghiên cứu.
Các mô hình chống sét van được xem xét và đánh giá bao gồm: mô
hình Matlab, mô hình IEEE, mô hình Picenti, và mô hình PK.
Các thông số của mô hình chống sét van được cung cấp trong catalogue
của nhà sản xuất.
Phân tích kết quả mô phỏng điện áp dư của các loại chống sét van trung

thế của các hãng sản xuất khác nhau ứng với dạng xung tiêu chuẩn 8/20µs,
biên độ 3kA, 5kA, 10kA, 20kA và so sánh giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà
sản xuất để đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van được xây
dựng.
Sai số điện áp dư đối với mô hình PK là thấp nhất. Cụ thể, đối với mô
hình của thiết bị chống sét van trung áp của Hãng Ohio Brass, sai số điện áp
dư trong khoảng từ 2.6% đến 10.2% và đối với mô hình thiết bị chống sét
van trung áp của Hãng Copper sai số điện áp dư trong khoảng từ 0,04% đến
7.99% . Nhận thấy, các sai số này đều nhỏ hơn giá trị sai số cho phép (10%).
Luận văn cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông
dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên…trong việc nghiên
cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị chống sét van dưới tác động của xung
sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử trong thực tế.


4

ABSTRACT
Thesis "BUILDING MEDIUM VOLTAGE SURGE ARRESTER
MODELS" going into the study and modeling of medium voltage surge
arresters in Matlab environment.
Composition, working principle and characteristic of the mediumvoltage surge arresters and Simulink toolbox of Matlab software was studied.
The surge arrester models are reviewed and evaluated include: Matlab
model, IEEE model, model Picenti, and PK model.
The model parameters of surge arrester models are provided in the
manufacturer's catalogue.
Analysis of residual voltage simulation results of medium voltage
surge arresters of various manufacturers with standard wave form 8/20μs,
amplitude 3kA, 5kA, 10kA, 20kA and compare with

residual voltages,

provided by the manufacturers to assess the accuracy of the surge arrester
models.
The residual voltage error of PK model is the lowest. Specifically, for
the medium voltage surge arrester model of Ohio Brass Company, the
residual voltage errors are in the range from 2.6% đến 10.2% and for the
medium voltage surge arrester model of Copper Company the residual voltage
errors are in the range from 0,04% đến 7.99%. Recognizing that, these errors
are less than the enable error (10%).
Thesis provides useful simulation tools with universal Matlab software
for researchers, engineers, students ... in the study of the behavior and
response of lightning protection equipment under the influence of lightning
surges when the test conditions can not in reality.


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... xi
CHƯƠNG MỞ ĐẦU ..................................................................................................1
I. GIỚI THIỆU ........................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................2

II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................3
1. Mục tiêu của đề tài: .........................................................................................3
2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................4
3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................4
III. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ..............................................4
1. Giới thiệu tổng quan:.......................................................................................4
2. Tổng quan nghiên cứu:....................................................................................5
IV. NỘI DUNG LUẬN VĂN .................................................................................5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ.........................6
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................6
1.2. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN..............................................................................8
1.3. KHÁI NIỆM VỀ SÉT....................................................................................9
1.4. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN....................................................................10
1.5 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV
...............................................................................................................................12
1.4.1.

CẤU TẠO CƠ BẢN MOV ...............................................................12

1.4.2.

TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO ......................14


6

1.4.3.

ĐẶC TÍNH V-I .................................................................................18

1.4.4.

THỜI GIAN ĐÁP ỨNG....................................................................19

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ ..........................21
2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................21
2.2. CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC ĐỀ NGHỊ.............................................................22
2.2.1.

Mô hình truyền thống ATP ...............................................................22

2.2.2.

Mô hình được đề nghị bởi IEEE .......................................................22

2.2.2.1. Mô hình đề nghị.....................................................................................23
2.2.2.2. Xác định các thông số............................................................................23
2.2.3.

Mô hình được đề nghị bởi Pinceti .....................................................26

2.2.3.1. Mô hình được đề nghị ...........................................................................26
2.2.3.2. Xác định thông số ..................................................................................26
2.2.4.

Mô hình P-K ......................................................................................27

2.2.4.1. Mô hình được đề nghị ...........................................................................27
2.2.4.2. Xác định thông số ..................................................................................28
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ

TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB ........................................................................29
3.1. MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG ...........................................................................29
3.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB .......................................................30
3.2.1.

Phần mềm MATLAB ........................................................................30

3.2.2.

Cơ sở về SIMULINK ........................................................................30

3.2.3.

Đánh giá mô hình MATLAB ............................................................31

3.2.3.1. Giới thiệu mô hình.................................................................................31
3.2.3.2. Nguyên lý làm việc của mô hình ...........................................................33
3.2.3.3. Đánh giá mô hình ..................................................................................33
3.2.3.4. Mạch mô phỏng Matlab.........................................................................34
3.3. MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT ....................................................34
3.3.1.

Dạng xung sét ....................................................................................34

3.3.1.1. Dạng sóng 10/350µs ..............................................................................34
3.3.1.2. Dạng sóng 8/20µs ..................................................................................35
3.3.2.

Xây dựng mô hình nguồn phát xung .................................................37

vii
3.3.3.

Thực hiện mô phỏng..........................................................................39

3.3.4.

Kết luận .............................................................................................42

3.4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC
TẦN SỐ TRONG MATLAB ................................................................................42
3.4.1.

Xây dựng mô hình MOV theo IEEE: ....................................................42

3.4.1.1. Xây dựng mô hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 ...........................43
3.4.1.2. Xây dựng mô hình MOV hoàn chỉnh ....................................................46
3.4.1.3. Tạo hộp thoại và các thông số cần khai báo .........................................47
3.4.1.4. Tạo biểu tượng cho mô hình..................................................................50
3.4.1.5. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn........................52
3.4.2.

Xây dựng mô hình MOV theo Pinceti: .................................................53

3.4.2.1. Xây dựng mô hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1: ..........................53
3.4.2.2. Xây dựng mô hình MOV hoàn chỉnh ....................................................55
3.4.2.3. Tạo hộp thoại và các thông số cần khai báo .........................................56
3.4.2.4. Tạo biểu tượng cho mô hình..................................................................58
3.4.2.5. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn........................60

3.4.3.

Xây dựng mô hình MOV theo P-K ...................................................61

3.4.3.1. Xây dựng mô hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 (Điện trở phi
tuyến xây dựng giống như mô hình Pinceti). ................................................61
3.4.3.2. Xây dựng mô hình MOV hoàn chỉnh ....................................................61
3.4.3.3. Tạo hộp thoại và các thông số cần khai báo ..........................................63
3.4.3.4. Tạo biểu tượng cho mô hình..................................................................65
3.4.3.5. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn................ Error!
Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG - ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CÁC MÔ HÌNH
CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ ...........................................................................68
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................68
4.2. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP EVP
VÀ AZG2 ..............................................................................................................69
4.2.1.

Chống sét van trung áp EVP .............................................................69

4.2.1.1. Thông số kỹ thuật ..................................................................................69


8

4.2.1.2. Thông số mô hình ..................................................................................69
4.2.1.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................70
4.2.1.4. Nhận xét.................................................................................................80
4.2.2.

Chống sét van loại AZG2 .................................................................80

4.2.2.1. Thông số kỹ thuật: .................................................................................80
4.2.2.2. Thông sô mô hình ..................................................................................81
4.2.2.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................81
4.2.2.4. Dạng sóng của mô hình .........................................................................82
4.2.2.5. Biểu đồ đánh giá sai số ..........................................................................90
4.2.2.6. Nhận xét.................................................................................................91
4.2.3.

NHẬN XÉT CHUNG .......................................................................91

CHƯƠNG KẾT LUẬN.............................................................................................94
I.

KẾT LUẬN ...................................................................................................94

II.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .........................................................94

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................95


9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
K Đ
ý ơ
M kAC

O
h
Đ
i
Đ
ộ
Đ
i
B
ề
Đ
i
H
ằ
H M
ạ ậ
C
ô
N
h
H
ệ
T
Đ
O
ộ
kVĐ
i
Đ
i

V kV ệ
8
n
 kVĐ
ộ
L kVĐ
i
H
ệ
V kVĐ
i
Đ
i
H
ệ
kVĐ
i
C
h
S
ố


10

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1:Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 ...............................................44
Bảng 3.2. Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 ..............................................54
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của hãng OHIO BRASS ..............................................69
Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng hãng OHIOS BRASS của các mô hình.......................70

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của hãng COOPER .....................................................81
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng hãng COOPER của các mô hình ...............................82


11

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van ...................................11
Hình 1.2:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. ......................................................12
Hình 1.3: Vi cấu trúc của ceramic ............................................................................13
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO .................................14
Hình 1.5 :Chống sét van trung thế của Ohio Brass ..................................................15
Hình 1.6:Mặt cắt cấu tạo của chống sét van ............................................................16
Hình 1.7: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO. .........................................17
Hình 1.8: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào. ...............................................18
Hình 1.10:Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao. ..........................................20
Hình 1.11: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng. ..20
Hình 2.1:Mô hình của IEEE......................................................................................23
Hình 2.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 .....................................25
Hình 2.3: Mô hình của Pinceti.................................................................................26
Hình 2.4: Mô hình P-K..............................................................................................27
Hình 3.1: Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình chống sét van. ........................32
Hình 3.2:Hộp thoại của mô hình chống sét van. ......................................................32
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình ....................................................................33
Hình 3.4: Mạch mô phỏng phóng điện chống sét van của Matlab, dạng xung dòng
8/20µs –10kA.............................................................................................................34
Hình 3.5: Sét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình. ..........................34
Hình 3.6: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình. ...........35
Hình 3.7: Dạng sóng 10/350 µs ................................................................................35
Hình 3.8: Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình...............36

Hình 3.9:Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình. ..............................................36
Hình 3.10: Dạng sóng 8/20 µs. .................................................................................37
Hình 3.11: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung. ............................................................38
Hình 3.12: Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung. .............................................38
Hình 3.13:Khai báo các thông số yêu cầu ................................................................39
Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng..........................................................39
Hình 3.15:Các thông số nguồn xung dòng ...............................................................40


xii
Hình 3.16: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA ..................................40
Hình 3.17: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 5kA ..................................41
Hình 3.18: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 10kA ................................41
Hình 3.19:Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA ................................42
Hình 3.20: Mạch tương đương mô hình IEEE ..........................................................42
Hình 3.21: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mô hình IEEE .......................................44
Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 ..............................................45
Hình 3.23: Mô hình điện trở phi tuyếntheo IEEE .....................................................46
Hình 3.24: Mô hình MOV theo IEEE bằng Matlab .................................................47
Hình 3.25: Mô hình MOV theo IEEE........................................................................47
Hình 3.26: Hộp thoại Mask Editortheo IEEE. ..........................................................48
Hình 3.27: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo IEEE ....................49
Hình 3.28: Thông tin cho khối trong thanh Prompttheo IEEE .................................49
Hình 3.29: Lệnh tính thông số trong thanh Initializationtheo IEEE. .......................50
Hình 3.30. Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo IEEE. .....................51
Hình 3.31: Biểu tượng chống sét van MOVtheo IEEE .............................................51
Hình 3.32:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo IEEE .............................52
Hình 3.33: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình IEEE ........................52
Hình 3.34: Sơ đồ tương đương theo mô hình Pinceti ...............................................53
Hình 3.35: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo Pinceti ..........................54

Hình 3.36: Mô hình điện trở phi tuyến theo Pinceti .................................................55
Hình 3.37 Mô hình MOV theo Pinceti ......................................................................55
Hình 3.38: Mô hình MOV theo Pinceti. ....................................................................56
Hình 3.39: Hộp thoại Mask Editortheo Pinceti ........................................................56
Hình 3.40: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo Pinceti .................57
Hình 3.41: Thông tin cho khối trong thanh Prompttheo Pinceti ..............................58
Hình 3.42: Lệnh tính thông số trong thanh Initializationtheo Pinceti......................58
Hình 3.43: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo Pinceti ....................59
Hình 3.44. Biểu tượng chống sét van MOVtheo Pinceti ..........................................59
Hình 3.45:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo Pinceti ..........................60
Hình 3.46: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình Pinceti .....................60


13

Hình 3.47: Sơ đồ tương đương theo mô hình P-K. ...................................................61
Hình 3.48: Mô hình MOV theo P-K. .........................................................................62
Hình 3.49: Mô hình MOV theo P-K. .........................................................................62
Hình 3.50: Hộp thoại Mask Editortheo P-K. ............................................................63
Hình 3.51: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo P-K. .....................63
Hình 3.52: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prompttheo P-K .............................64
Hình 3.53: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initializationtheo P-K ...........65
Hình 3.54:Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo P-K..........................65
Hình 3.55:Biểu tượng chống sét van MOVtheo P-K.................................................66
Hình 3.56:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV theo P-K. .............................66
Hình 3.57: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình P_K..........................67
Hình 4.1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư của chống sét van trung áp
...................................................................................................................................68
Hình 4.2: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20 s3kA.............................................................................................................................71
Hình 4.3: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, dòng xung 8/20s-5kA. .....72

Hình 4.4: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20 s10kA...........................................................................................................................73
Hình 4.5: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20 s20kA...........................................................................................................................74
Hình 4.6: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s3kA.............................................................................................................................75
Hình 4.7: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s5kA.............................................................................................................................76
Hình 4.8: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s10kA...........................................................................................................................77
Hình 4.9: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s20kA...........................................................................................................................78
Hình 4.10: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp
18kV, ứng với dòng xung 8/20s...............................................................................79


14

Hình 4.11: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp
21kV, ứng với dòng xung 8/20s...............................................................................79
Hình 4.12: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20s3kA.............................................................................................................................82
Hình 4.13: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20 s5kA.............................................................................................................................83
Hình 4.14: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20s10kA...........................................................................................................................84
Hình 4.15: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20s20kA...........................................................................................................................85
Hình 4.16: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s3kA.............................................................................................................................86
Hình 4.17: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s5kA.............................................................................................................................87
Hình 4.18: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s10kA...........................................................................................................................88
Hình 4.19: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s20kA...........................................................................................................................89
Hình 4.20: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Cooper, điện áp 18kV,
ứng với dòng xung 8/20s.
........................................................................................90
Hình 4.21: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Cooper, điện áp 21kV,
ứng với dòng xung 8/20s.
........................................................................................90

1

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
I. GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Đã từ lâu, tại các nước phát triển ở châu Âu và châu Mỹ, do nhu cầu
bảo vệ thiết bị tránh hư hỏng và ngừng dịch vụ do sét, việc nghiên cứu dông
sét và các giải pháp phòng chống sét phát triển rất mạnh mẽ. Người ta đã tiến
hành thu thập số liệu về dông sét trong nhiều năm nhằm phân vùng hoạt động
dông, nghiên cứu các quy luật phát triển của chúng phục vụ công tác dự báo
dông. Hàng loạt các công trình xác định mật độ sét, cũng như các thông số
của sét, từ đó đề xuất các biện pháp dự phòng chống sét, cụ thể như cho các
đường dây tải điện, các công trình công nghiệp quan trọng, công trình viễn
thông, các trung tâm dữ liệu, các sân bay, kho xăng,...
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt
Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có
ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn. Số ngày dông cực đại là
113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa. Hàng
năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự cố, 50% trong số đó là do
sét gây ra. Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà
máy Thủy điện Hòa Bình. Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch,
nhiều nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống.
Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn theo điện
áp định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào. Tuy nhiên, trong thực tế
vận hành, đôi lúc xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có
thể do các sự cố chạm đất, do thao tác đóng cắt, hoặc do sét đánh trực tiếp hay
lan truyền. Trong đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp
này rất lớn dễ dàng gây ra phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết
bị, ảnh hưởng đến toàn hệ thống.
Đặc biệt trong những năm gần đây với sự gia tăng sử dụng các trang

thiết bị điện tử công suất trên lưới phân phối như thiết bị bù SVC, thiết bị


SCADA, bộ UPS, bộ lọc sóng hài .. Các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay
đổi của điện áp và có độ dự trữ cách điện rất thấp.
2. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, chống sét van thường được sử dụng để bảo vệ chống quá áp
do sét đánh trực tiếp vào đường dây hay sét cảm ứng trên đường dây. Và để
đánh giá hiệu quả bảo vệ của chống sét van cần có các thử nghiệm điện áp dư
ứng với các xung sét tiêu chuẩn. Điều này chỉ có thể thực hiện tại các trung
tâm thử nghiệm chuyên ngành. Hơn nữa, các bài toán nghiên cứu quá độ
trong hệ thống điện với rất nhiều thành phần khác nhau như máy biến áp, máy
cắt, đường dây, tải,…và chống sét van cũng đòi hỏi mô hình chống sét van có
mức độ tương thích với nguyên mẫu.
Nhưng cho đến nay việc mô hình hóa và mô phỏng các chống sét van
trong mạng phân phối trung áp ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngỏ, ngay cả ở
các trường đại học lớn, các phần mềm mô phỏng và tài liệu tham khảo rất ít ỏi
và hạn chế. Một trong những khó khăn khi tiến hành mô phỏng các chống sét
van trung áp là các mô hình chưa có hay nếu có thì được giữ bản quyền bởi
các hãng sản xuất thiết bị chống sét van nước ngoài, cũng như mô hình các
máy phát xung sét chuẩn cũng không được xây dựng trong phần mềm Matlab,
vốn là phần mềm thông dụng nhất hiện nay.
Hiện nay, cũng có nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị
chống sét lan truyền trên đường dây trung thế đã đi sâu nghiên cứu và đề ra
mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây
dựng mô hình khác nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của
mỗi mô hình, và các yêu cầu về mức độ tương đồng giữa mô hình và nguyên
mẫu mà các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống
sét lan truyền vẫn còn tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Hơn nữa, vấn đề khó

khăn trong xây dựng mô hình là xác định các thông số của mô hình mà các
thông số được cho trong catalogue của nhà chế tạo thường không đầy đủ.


Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mô hình các thiết
bị chống sét.Tuy nhiên, mô hình này thường chỉ phù hợp đối với thiết bị của
một nhà sản xuất nào đó, không thể là đại diện cho tất cả thiết bị chống sét
của mọi nhà chế tạo và với các cấp điện áp khác nhau.
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Xây dựng mô hình chống sét
van trung thế” đi sâu vào nghiên cứu mô hình thiết bị chống sét van cấp
trung thế dạng MOV, lập mô hình và mô phỏng với phần mềm rất thông dụng
là Matlab với mong muốn có thể xây dựng được mô hình thiết bị chống sét
van của hầu hết các nhà chế tạo chỉ với các thông số được cung cấp từ
catalogue của các nhà chế tạo. Đề tài hy vọng sẽ cung cấp một công cụ mô
phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các
kỹ sư, sinh viên… Vì đặc tính động của chống sét van, chúng không thể mô
phỏng chỉ bằng một điện trở phi tuyến tính. Do đó, một số mô hình được đề
xuất cho mô phỏng các đặc tính động của chống sét van. Trong đó, mô hình
IEEE và mô hình Pinceti…là các mô hình chính được đề xuất để mô phỏng
các đặc tính động của chống sét van. Để xác định các thông số của mô hình
chống sét van, một thuật toán mới đã được đề xuất và tiến hành
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại
chống sét van.
- Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van
MOV.
- Nghiên cứu các mô hình chống sét van MOV phụ thuộc tần số.
- Cải tiến mô hình chống sét van trong Matlab.

- Đề xuất thuật toán mới xác định các thông số của mô hình chống sét
van.
- So sánh sự khác biệt giữa các mô hình Matlab, mô hình IEEE, mô
hình Pincenti, mô hình P-K.


2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét van trung áp.
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của chống sét van trung áp kiểu
biến trở ôxít kim loại (MOV).
- Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mô hình chống sét dạng MOV.
- Nghiên cứu phần mềm Matlab.
- Lập mô hình các phần tử của thiết bị chống sét dạng MOV.
- Lập mô hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn.
- Tiến hành mô phỏng, đánh giá biên độ điện áp dư thông qua mô phỏng,
so với giá trị điện áp dư công bố của các nhà sản xuất.
- Đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van trung áp được xây
dựng.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trò chủ
đạo.Sử dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo
khoa học, … Để phục vụ cho để tài nghiên cứu này
- Phương pháp chuyên gia: là phương pháp đóng vai trò bổ trợ. Tham
khảo ý kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên
gia trong lĩnh vực chống sét.
- Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng
chống sét van dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.
- Phương pháp tổng hợp: Là phương pháp đóng vai trò bổ trợ. Tổng hợp
các ý kiến để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đó

hoàn thành nội dung, yêu cầu của để tài này.
III. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1. Giới thiệu tổng quan:

Xây dựng mô hình chống sét van trung thế có mức độ tương thích cao
so với nguyên mẫu.


Các mô hình chống sét van trung thế được xây dựng có giao diện đơn
giản, dễ sử dụng trong môi trường Matlab.
2. Tổng quan nghiên cứu:

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét
van trung thế dùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề ra mô hình thiết
bị chống sét van trung thế với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình
khác nhau.
Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hóa mô phỏng và yêu
cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu,
các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng van chống sét trung thế vẫn
còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Các mô hình chống sét van trung thế được xây dựng là công cụ rất hữu ích để
thực hiện phân tích các bài toán quá điện áp do sét trong mạng phân phối trung thế.
Luận văn là tài liệu tham khảo cho sinh viên Ngành Công nghệ Kỹ thuật điệnĐiện tử và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện.
IV. NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương : Mở Đầu.
Chương 1: Tổng quan về chống sét van trung thế.
Chương 2: Các mô hình chống sét van trung thế.
Chương 3: Xây dựng các mô hình chống sét van trung thế trong môi trường
Matlab.

Chương 4: Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van
trung thế.
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở
một cấp điện áp nào đó và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức
của lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận
hành, đôi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có
thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét. Trong đó quá điện áp do sét
là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng
cách điện và phá hủy thiết bị.
Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp:
thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị
(máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,…) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét
van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ
thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn,v.v..) cộng với cấu
trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ
thống. Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp tần số nguồn liên
tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển.Để đảm bảo tính hợp nhất
dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn
mức bình thường. Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới
điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ.
Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được

điện áp cao hơn bình thường một chút. Phương pháp này có hiệu quả đến một
mức nào đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi
phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế.
Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để
giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu.
Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể
dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá


áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế
khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ khách hàng,
khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.
Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá
điện áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế
sẽ làm cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng
như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá
áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu
đựng quá áp của các thiết bị. Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước
sau đây:
-

Thiết kế lưới điện thích hợp để có thể kiểm soát và hạn chế tối thiểu
các quá áp.

-

Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp.

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách
điện.

Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của
thiết bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và
việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục
đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện. Thiết kế
được phối hợp bao gồm:
-

Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả.

-

Dùng dây, kim thu sét.

-

Điều khiển góc thao tác các máy cắt.

-

Sử dụng các tụ điện xung.

Các thiết bị bảo vệ bao gồm :
-

Khe hở phóng điện.

-

Các loại van chống sét.

Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các
hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị.